Суперкавітаційна торпеда

Кавітація (від лат. Cavitas – пустота) (рос. кавитация, англ. cavitation, нім. Blasenbildung f, Hohlsog m, Kavitation f, Hohlraumbildung f) – утворення всередині рідини порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (кавітаційних бульбашок), тобто порушення суцільності рідини.

Умови виникнення кавітації

Виникає в результаті місцевого зниження тиску в рідині до певного критичного значення р_кр (в реальній рідині значення р_кр близьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі), що може відбуватися або при збільшенні швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація).

Негативний вплив кавітації

Робоче колесо насоса, пошкоджене кавітаційною корозією

Кавітаційна бульбашка, рухаючись з потоком рідини в область з більш високим тиском, дезінтегрує, створюючи ударну хвилю (імпульс адекватний гідравлічному удару). Це викликає вібрацію, руйнування поверхні робочих органів машин (кавітаційна корозія), зменшення к.к.д. і, таким чином, зменшення ефективності роботи насосів, турбін тощо. Кавітація в насосах відбувається при падінні тиску на вході в насос. В лопатевих насосах кавітація супроводжується зменшенням подачі, напору, потужності і к.к.д. внаслідок того, що частина порожнини робочого колеса заповнюється парою.

Використання кавітації

Хоча кавітація небажана у багатьох випадках, проте є винятки. Наприклад, надкавітаційні торпеди обволікаються у великі кавітаційні бульбашки, суттєво зменшуючи контакт з водою. Ці торпеди можуть пересуватися значно швидше, ніж звичайні. Такі дослідження проводилися, наприклад, в Інституті гідромеханіки НАН України.

Кавітація може бути використана при очищенні технологічного устаткування. Для створення кавітації, генерують ультразвукові хвилі, а руйнування кавітаційних бульбашок використовується для очистки поверхонь. При такому застосуванні кавітації суттєво зменшується, використання агресивних і отруйних речовин у технологічних процесах. До цих пір подробиці того, як бульбашки проводять очищення, до кінця не зрозумілі.

У промисловості, кавітація часто використовується для гомогенізації, або змішування часток в колоїдних розчинах, наприклад, сумішах фарб чи молоці.

Суперкавітація

Суперкавітація-(від лат. Super — над, зверху; cavitas (cavitatis) — порожнина) — фундаментальне явище, притаманне рухові рідин, коли в них виникають достатньо велики порожнини (каверни). Розрізняють парову суперкавітацію (каверна заповнена парами рідини і виникає за рахунок збільшення швидкості) та шучну (каверна підтримується піддувом газу). Використовується для зменшення опору тертя та кавітаційної ерозії. Через велику різницю у густинах води і газу опір тертя на поверхнях, що не контактують з рідиною, може бути зменшений майже в 1000 разів. Використання газових каверн запобігає колапсам парових бульбашок, зменшує небезпеку виникнення зон надвисокого тиску та ерозії. Використовується на швидкісних суднах, торпедах, підводних снарядах, корабельних гвинтах, в насосах, в струменевих технологіях тощо.

Зменшення опору тертя

Опір тертя є пропорційним до динамічної в'язкості, а отже і до густини рідини, що обтікає тверду поверхню. Тому та частина корпусу, що контактує з газом, а не рідиною, матиме в сотні разів меньшій опір тертя. Ця ідея знайшла своє втілення у різних суперкавітаційних апаратах та суднах, досліджувалась вченими різних країн, зокрема, значним є внесок наших співвітчизників (див. джерела). Завдяки суперкавітації вдалося досягти надзвукових швидкостей у воді (більших 1450 м/с). Успішні запуски підводних надзвукових снарядів виконані в СШАта на Швидкісній багатоцільовій гідродинамічній трубі Інституту гідромеханіки НАН України.

Розроблені в США суперкавітаційні снаряди RAMICS дозволяють знищувати міни на глибині до 45 м. Аналогічні системи використовуються в Німеччині (Heckler & Koch P11) та Росії (underwater firearms). Cуперкавітаційні технології застосовуються також в гарпунах для підводного полювання для збільшення дальності та стабільності руху. Дальність інерційного руху під довільним кутом до горизонту може бути збільшена за рахунок оптимізації форми корпусу та використання кавітаторів змінних розмірів Окрім, снарядів, що рухаються за інерцією, суперкавітація успішно використовується на високошвидкісних торпедах, зокрема на радянській «Шквал», німецькій «Barracuda» та іранській «Hoot» (Кит). Завдяки зменшенню опору тертя вдалося перевищити швидкість руху у воді 400 км/год. 2005 року американське агенство DARPA анонсувало «Програму підводного експресу» ('Underwater Express program'), що передбачає створення суперкавітуючого швидкісного підводного човна.

Разом з тим, кавітатор має великий опір тиску, що робить в деяких випадках суперкавітуючі апарати менш ефективними від традиційних, що обтікаються без відриву потоку . Іншим недоліком суперкавітуючих корпусів є дуже малі значення сили Архимеда, оскільки вони розташовані в газовій бульбашці, а не у воді. Для підтримання ваги таких апаратів використовують підводні крила або глісування по поверхні каверни, що в свою чергу вимагає додаткових витрат енергії і обмежує область застосування суперкавітації досить малими об'ємами корпусів. Разом з тим, кавітатор має великий опір тиску, що робить в деяких випадках суперкавітуючі апарати менш ефективними від традиційних, що обтікаються без відриву потоку. Зменшення опору видовжених осесиметричних високошвидкісних тіл//Прикладна гідромеханіка. Іншим недоліком суперкавітуючих корпусів є дуже малі значення сили Архімеда, оскільки вони розташовані в газовій бульбашці, а не у воді. Для підтримання ваги таких апаратів використовують підводні крила або глісування по поверхні каверни, що в свою чергу вимагає додаткових витрат енергії і обмежує область застосування суперкавітації досить малими об'ємами корпусів .

Зменшення кавітаційної ерозії

Радіус парової кавітаційної бульбашки може зменшуватись до нуля в області підвищенного тиску, викликаючи дуже велики локальні стрибки тиску. Розміри газових бульбашок залишаються досить великими і не викликають таких значних стрибків тиску<. Тому використання достатньо великих суперкаверн або піддуву газу зменшує ризик потрапляння дрібних бульбашок на тверді поверхні і запобігає ерозії. Використовується на підводних крилах високошвидкісних суден, на напівзанурених гвинтах, суперкавітуючих насосах тощо.

Торпеда Барракуда

Німецька суперкавітаційних торпеда

Суперкавітаційна торпеда ранніше носила назву «Барракуда». Суперкавітаційних торпеда Барракуда була розроблена фірмою Diehl BGT Defence і призначена для ураження або знищення підводних цілей.

В основі дії торпеди покладений той же принцип, що і в радянській торпеді «Шквал (швидкісна підводний ракета)», а саме створення кавітаційного міхура і рух у ньому. Єдина відмінність між торпедою «Шквал» і суперкавітаційних полягає в тому, що остання є керованою.

Суперкавітаційних торпеда Барракуда здатна розвивати швидкість більше 400 км / год. Швидкість руху безпосередньо залежить від щільності води, у якій переміщається торпеда. Конструкція суперкавітацінной торпеди «Баракуда» включає в себе наступні частини:

• Твердопаливний ракетний двигун;
• Інерційне вимірювальне пристрій;
• Автопілот;
• Конічний наконечник.

Інерційне вимірювальне пристрій і автопілот виконую функції стабілізації торпеди.

В даний час близько десятка досвідчених зразків підводної ракети були виготовлені і успішно випробувані. Суперкавітаційних торпеду Барракуда можна використовувати як з підводних човнів, так і з надводних кораблів.

Торпеда Шквал

Російська суперкавітаційних торпеда

Калібр 533,4 мм Довжина 8 метрів Вага торпеди 2700 кг Потужність боєголовки 150 кТ в ядерному варіанті або 210 кг звичайного ВВ Маршова швидкість 350 км / год

Підводний ракета "Шквал" здатна розвивати швидкість до 200 вузлів (близько 100 метрів в секунду) і вкрай ефективна в боротьбі з надводними і підводними кораблями. Вона створена на науково-виробничому підприємстві "Регіон" у Санкт-Петербурзі. . Ракета вистрілюється, виходить на оптимальну глибину і включає двигуни. Головки самонаведення у підводної ракети немає, вона реалізує ту програму, яка закладена в бортовий комп'ютер. Тому "Шквал" вважається абсолютно захищеною від перешкод.

Ракета компактна, що дозволяє заряджати її в торпедні апарати підводних човнів. В умовах майже повної відсутності оборонного замовлення з боку Міністерства оборони Росії, на НВП "Регіон" створений експортний варіант підводного ракети - "Шквал-Е", який вже дозволений для експорту і до якого багато країн виявили величезний інтерес, повідомив представник адміністрації підприємства.

Литература

• Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. 466с.]
• Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. : ГИТТЛ, 1951. 200с.
• Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. Мир, 1974. 678 с.
• Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. : Наука, 1978. 280c.
• Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1977. 222с.
• Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с.
• Пирсол И. Кавитация. М.: Мир, 1975. 95с.]
• Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.
• Рождественский В. В.
• Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппаратов).Ч.1. — К.: Полиграфкнига, 1997. — 940 с.